Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсова робота

на тему: Застосування металів та сплавів у різних видах промисловості



Зміст

• Вступ
• Розділ 1. Загальна характеристика металів та їхніх властивостей
• Розділ 2. Застосування сплавів у промисловості
• 2.1 Сплави та методи їхнього аналізу
• 2.2 Види сплавів та їх застосування людиною
• Висновки
• Список використаної літератури


Вступ

У вивченні предмету Хімія чимала роль відводиться темі - метали. Відомо понад 80 видів металів відкритих Д.І. Менделєєвим. Метали зустрічаються у природі як у вільному стані так і у різних сполуках. У процесі розвитку науки люди навчились добувати та використовувати метали для своїх потреб, зокрема, у побуті, сільському господарстві, машинобудуванні, ювелірні справі та у різних видах промисловості.

У чистому вигляді метали використовуються рідко, тому переважно застосовуються сплави, які часто мають такі властивості, яких не мають метали, що їх утворюють. Прикладом є сплав, який складається із свинцю та олова, плавиться при температурі 180 С, тоді як, свинець плавиться при температурі - 328С, а олово при температурі - 231С.

У теперішній час в сучасній техніці використовують велику кількість різноманітних сплавів, які володіють наперед заданими властивостями, для одержання яких використовують більше 40 хімічних елементів у різних пропорціях.

Тому метою наших досліджень є узагальнити та систематизувати знання про метали, сплави, їх різноманітність та застосування у різних видах промисловості.

Об'єктом дослідження є система знань про метали, сплави, методи їхніх аналізів, а предметом - є їхнє використання у сучасній техніці.

Основними завданнями даної роботи є:

- опрацювати науково - методичну літературу по даній темі

- охарактеризувати елементи метали за місцем у періодичній системі

- виділити основні види сплавів та їх застосування у промисловості

- висвітлити основні методи аналізу сплавів.

Практична цінність дослідження полягає у систематизації та узагальненні знань про види сплавів, металів та їх використання у сучасному світі.

Структура та об'єм курсової роботи. Курсова робота складається із вступу, двох розділів висновку та списку використаної літератури.

Розділ 1. Загальна характеристика металів та їхніх властивостей

Із відомих хімічних елементів - 88 є металами. Елементи І-ІІ груп (крім водню та бору), а також елементи побічних підгруп 4-ої та 8-ої груп - метали. У головній підгрупі 4-ої групи більшість елементів ( за винятком кремнію та вуглецю) теж є металами. У головній підгрупі 5-ої групи знаходяться два метали - сурма та вісмут, а у головній підгрупі 6-ої групи - один (полоній).

Всі періоди періодичної системи починаються з металів. Вздовж періодів поступово послаблюються металічні властивості елементів і посилюються неметалічні.

Атоми металів, як правило, мають у зовнішньому електронному шарі 1,2 і значно рідше 3 або 4 електрони. Тут з усією очевидністю виявляється вплив зовнішнього електронного шару на властивості елементів. Атоми металів мають низькі значення потенціалів іонізації, тому легше віддають свої електрони, ніж приєднують їх, і перетворюються на позитивно зарядженні іони.

Це означає , що ті елементи, атоми яких мають s2 p6- конфігурацію електронів попереднього енергетичного рівня і містять 1-2 електрони на останньому рівні, виявляють вищу металічну активність. У підгрупах активність таких металів зростає зі збільшенням протонного числа їхніх атомів.

Так, найактивнішими є метали головної підгрупи 1 групи, особливо Fr. Активними металами є також елементи головної підгрупи ІІ групи, і серед них найактивніший метал - радій.

Атоми металів побічних підгруп мають, як правило, у зовнішньому електронному шарі 1-2 електрони, а в передостанньому - більше восьми. Значення потенціалів іонізації атомів цих металів вищі, а їх активність із збільшенням протонного числа зменшується. Так, найактивнішим металом побічної підгрупи І групи є мідь, найменш активним - золото.

В атомах перехідних металів електрони заповнюють внутрішні енергетичні рівні, тому утримуються ядром сильніше, ніж електрони, розміщені на останньому енергетичному рівні. Цим і пояснюється той факт, що радіуси атомів елементів побічних підгруп менші, ніж передбачалися за аналогією з атомами металів головних підгруп за нормального заповнення електронних шарів. Тому і виникає різка зміна активності металів головних і побічних підгруп.

По своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Вперше цю відмінність визначив М. В. Ломоносов: «метали, - писав він,- тіла тверді, ковкі, блискучі».

Зарахувавши той чи інший елемент до розряду металів, ми маємо на увазі наявність у нього певного комплексу властивостей:

- щільна кристалічна структура

- характерний металевий блиск

- висока теплопровідність і електропровідність

- зменшення електричної провідності із зростанням температури

- низькі значення потенціалу іонізації

- ковкість і тягучість

- здатність до утворення сплавів.

Всі метали і сплави, вживані у даний час у техніці, можна розділити на дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і всі його сплави, в яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни і сталі.

До другої групи відносять кольорові метали і їх сплави. Вони отримали таку назву тому, що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло - червона, нікель, олово, срібло - білі, свинець - голубувато - білий, золото - жовте.

Разом із чорними і кольоровими металами виділяють групу благородних металів: срібло, золото, платину та деякі інші.

Однією із фізичних властивостей металів є металічний блиск, який обумовлюється їх здатністю сильно відображати проміння світла. Проте, цей блиск спостерігається тільки утому випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу. Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними у порошок.

До фізичних властивостей металів ще належать електропровідність, теплопровідність, здатність реформуватись без руйнування. Завдяки пластичності метали можна кувати, витягувати, штампувати. Дана властивість металів має велике практичне значення.

Для металів характерне утворення кристалічних решіток, у вузлах яких розміщуються переважно іонізовані атоми.

Кристалічні решітки металів можуть бути різних типів. Найхарактернішими є три типи: кубічна об'ємноцентрована (хром, ванадій), кубічна гранецентрована (алюміній, мідь, срібло, золото), щільна гексагональна( магній, берилій, цинк).

Багатьом металам, особливо перехідним, властивий поліморфізм. Так, титан, цирконій, скандій існують у двох алотропних видозмінах, стійких за різних температур, олово, кальцій - у трьох, плутоній - у шести алотропних видозмінах.

Майже всі метали мають високі температури плавлення. За найвищої температури плавляться вольфрам, тантал, за найнижчої - ртуть, галій, цезій.

За густиною всі метали поділяються на важкі та легкі. До легких належать метали, густина яких менша 6 г/ см3 (берилій, магній, алюміній), до важких - густина яких перевищує 6г/см3. Найважчим металом є осмій (22,5 г/см3), найлегшим - літій(0,53г/см3).

Електропровідність металів залежить від кількості електронів, яким відповідають незаповнені енергетичні рівні з низькою енергією. Високу теплопровідність мають золото, мідь, срібло. З підвищенням температури електропровідність металів падає. Це пояснюється тим, що під час нагрівання атоми металу починають інтенсивніше коливатись біля положень їх рівноваги, що утруднює переміщення електронів.

Основною хімічною властивість металів є здатність їх атомів легко віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів, їх іони завжди заряджені позитивно

Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновниками.

Здатність до віддачі електронів виявляється у окремих металів далеко не однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніший і енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.

Опустимо шматочок цинку в розчин будь - якої свинцевої солі. цинк починає розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція виражається рівнянням:

Zn + Pb(NO₃)₂ = Pb + Zn(NO₃)₂

З рівняння виходить, що ця реакція є типовою реакцією окислення-відновлення. Суть її зводиться до того, що атоми цинку віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим перетворюючись на іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються у вигляді металевого свинцю. Якщо поступити навпаки, тобто занурити шматочок свинцю в розчин цинкової солі, то реакції не відбудеться. Це показує, що цинк більш активний ніж свинець.

Витіснення одних металів з їх з'єднань іншими металами в перше було детально вивчено російським вченим Бекетовим, що розташував метали по їх хімічній активності в так званий «витискаючий ряд». В даний час цей ряд носить назву ряду напруг.

Метали розташовані в порядку зростання їх стандартних електродних потенціалів і утворюють електрохімічний ряд напруг металів : Li, Rb, до Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd,Au.

Ряд напруг характеризують хімічні властивості металів:

- чим менше електродний потенціал металу, тим більше його відновна здатність;

- кожний метал здатний витісняти з розчинів солей ті метали, які стоять у ряді напруг після нього;

- всі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто, що знаходяться у ряді напруг ліво водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.

Необхідно відзначити що представлений ряд характеризує поведінку металів і їх солей тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі. Крім того потрібно відзначити те, що висока електрохімічна активність металів не завжди означає його високу хімічну активність.

Найбільш поширеним металом у земній корі є алюміній, залізо, кальцій, натрій, калій, магній і титан. Вміст інших металів у земній корі незначний. Так, наприклад, хрому в земній корі за масою лише 0,3 %, нікелю - 0,2%, а міді 0,01%.

У природі метали існують також у вигляді сполук оксидів (Fe₃O₄, Fe₂O₃), сульфідів (ZnS, PbS, FeS), сульфатів (CaSO₄, BaSO₄), хлоридів (KCl, NaCl), карбонатів (CaCO₃, FeCO₃), фосфатів (Ca₃(PO₄)₂) і нітратів (NaNO₃, KNO₃).



Розділ 2. Застосування сплавів у промисловості

У промисловості метали у чистому виді використовуються порівняно рідко. Переважно застосовують їхні сплави, які часто мають такі властивості, яких не мають метали, що їх утворюють. Наприклад, залізо, алюміній порівняно м'які, а їхні сплави є досить твердими.

Добування сплавів ґрунтується на здатності розплавлених металів розчинятися один в одному. У розплавлених металах можуть розчинятися також деякі неметали, як, наприклад, вуглець і крамній у розплавленому залізі. При охолодженні утворюються сплави з потрійними властивостями: легкоплавкі, жаростійкі, кислотостійкі.

Металічні сплави мають також високу теплову та електричну провідність. Сплав має властивості, відмінні від властивостей речовини, що входять до його складу. Наприклад, сплав, що складається з 99% міді та 1% берилію, твердіший за мідь у 7 разів, з 50,1% вісмут, 24,9% свинцю, 14,2% олова і 10,8% кадмію має температуру плавлення 65,5С, хоча температура плавлення вісмуту становить 271,3С, олова - 231С, кадмію 320,0С, свинцю - 327,4С. Відомо, що цинк, мідь і алюміній за звичайних умов не взаємодіють з водою. Сплав, який містить 50% міді, 45% алюмінію та 5% цинку, вступає у реакцію з водою з виділенням водню.

Всі сплави, як і метали, в твердому стані кристалічні. Сплави поділяють на однорідні та неоднорідні. Більшість сплавів належить до неоднорідних.

Однорідні сплави утворюються в тих випадках, коли атоми одного металу можуть заміщатися атомами другого металу у вузлі кристалічної решітки. При такому заміщенні утворюються кристали із структурою схожою на структуру вихідних металів, проте із атомами різного сорту, чим і обумовлюється однорідність сплаву. Такі сплави називають твердими розчинами. Тверді розчини утворюють золото із сріблом, нікель з міддю і ін.

Неоднорідні сплави являють собою механічну суміш кристаликів обох металів. При цьому кожний з металів зберігає свою кристалічну решітку. Наприклад, сплав олова зі свинцем (припій) складається з кристаликів чистого олова і кристаликів чистого свинцю.

Сплави можуть утворюватись не тільки двома, а й кількома металами. Сплави з двох металів називаються подвійними, з трьох - потрійними і т. д. Крім того, до складу сплавів можуть входити і неметали, як вуглець, фосфор, сірка тощо. Деякі метали при сплавлені утворюють хімічні сполуки, при цьому одні хімічні сполуки підлягають правилам звичайної валентності, як Mn₂Sn, Mg₂Pb і ін., а деякі не підлягають, наприклад CuZn₃, Cu₃Sn, Fe₃C тощо. Хімічні сполуки металів характеризуються власною кристалічною решіткою, відмінною від кристалічних решіток металів, які входять до її складу. При надлишку одного з металів хімічні сполуки можуть утворювати як тверді розчини, так і механічні суміші.

Твердість сплавів у більшості випадків вища від твердості окремих металів, що їх утворюють. Наприклад, добавка 1% берилію до міді збільшує її твердість у 7 разів. Ковкість і пластичність металів у сплавах звичайно знижується. Тепло- і електропровідність металів у сплавах теж зменшується. Механічна міцність сплавів, навпаки, у більшості випадків підвищується. Навіть незначні домішки іншого металу часто різко підвищують міцність сплаву. Хімічні властивості металів у сплавах теж змінюється. Наприклад, при додаванні до звичайної сталі15 - 20% силіцію одержують кислотостійку сталь.

Деякі метали розчиняються один в одному лише до певної степені. Так, наприклад, якщо змішати розплавлений цинк і свинець, то при відстоюванні суміші утворюється два шари: нижній - свинець, в якому розчинена невелика кількість цинку, верхній - цинк, який містить певну кількість свинцю. При плавленні металів або відбувається просте розчинення металу в іншому, або, як часто, метали вступають в хімічний зв'язок один з одним, який часто супроводжується значним тепловим ефектом. Наприклад, при зануренні алюмінію у розплавлену мідь виділяється стільки тепла, що вся маса розжарюється до білого забарвлення. Таким чином більшість сплавів являють собою суміші вільних металів з певними хімічними зв'язками.

2.1 Сплави та методи їхнього аналізу

Щоб визначити природу сплаву, поверхню досліджують мікроскопічним методом, а також піддають рентгеноструктурному аналізу. Проте, найчастіше сплави досліджують проводячи фізико - хімічний аналіз.

Про взаємодію між металами можна судити на підставі вимірювання питомої електропровідності систем. Внаслідок взаємодії металів змінюється їхня твердість, магнітна сприйнятливість. Склад утвореного металіду можна визначити, не виділяючи його в чистому вигляді, якщо вивчати зміну однієї з названих властивостей.

Нині фізико - хімічний аналіз є основним методом вивчення природи різних сплавів. Основоположником методів фізико - хімічного аналізу являється російський вчений М.С. Курнаков. Його роботи по вивченню природи металічних сплавів внесли ясність у розуміння процесів, які відбуваються при затвердінні сплавів. Крім цього, при вивченні сплавів ним були відкриті хімічні зв'язки, склад яких може змінюватися у досить широких межах. Ці зв'язки змінного складу Курнаков назвав бертолідами (за іменем Бертолле, який допускав їхнє існування).

Із різноманітних видів фізико - хімічного аналізу найчастіше використовують термічний аналіз, початок якому дав вчений металург Чернов, що досліджує перетворення в системі за зміною температури її плавлення або твердіння залежно від складу. Діаграми «температура плавлення - склад» називаються діаграмами стану.

Для того, щоб побудувати діаграму стану експериментально досліджують криві охолодження. Розплавлений чистий метал поступово охолоджують, вимірюючи зміну температури сплаву з часом. На діаграмі «температура - час» дістають горизонтальну лінію, що відповідає температурі плавлення металу. Якщо до металу А додати метал В, то в разі поступового охолодження рідкого сплаву кристали металу А осідатимуть за меншої температури, ніж коли б це був чистий метал. Якщо ж до чистого металу В додати метал А, спостерігатиметься аналогічна частина. Щоб побудувати діаграму станом для двохкомпонентної системи, виготовляють суміші двох чистих металів із різним їх кількісним складом, розплавляють їх і визначають температури початку кристалізації як зупинки на діаграмах «температура - час».

Діаграми плавлення мають різну форму залежну від характеру взаємодії компонентів суміші між собою.

Якщо два метали між собою не утворюють сполуку, а у твердому стані не утворюють розчин, то діаграма стану для такої системи має так звану евтектичну точку, яка вказує на існування сплаву з найменшою температурою плавлення. Сплав, який має таку низьку температуру плавлення, у твердому стані є сумішшю дрібних кристалів і називається евтектикою. Прикладом діаграми такого типу може бути діаграма стану системи свинець - стибій Pb-Sb. Температура плавлення чистого свинцю становить 327С, а температура плавлення чистого стибію - 631С. В міру збільшення вмісту другого компонента температури кристалізації Pb і Sb знижуються. Для системи Pb - Sb евтектичний сплав складається з 13% стибію і 87% плюмбому, він плавиться і кристалізується за температури 246С.

Термічний аналіз дав змогу виявити велику кількість сполук одних металів з іншими. Такі сполуки утворюють лужні, лужноземельні метали з металами що мають слабкі металічні властивості. Склад таких інтерметалідних сполук виражається формулами, в яких валентності металів не збігаються з валентностями цих металів у сполуках з неметалами. Наприклад, натрій з оловом утворює такі сполуки: NaSn₄, NaSn₆, NaSn₃, NaSn₂, NaSn, Na₄Sn₂, Na₂Sn і Na₄Sn.

Крім термічного аналізу сплавів існує - хімічний. Належність сплаву до одного із видів можна встановити частково за його зовнішнім виглядом. Сплави міді мають жовтий колір, сплави алюмінію і олова - білий, сплави заліза - темний колір. Питома вага їх теж різна. Найлегші - сплави алюмінію, їх досить легко розпізнати за цією ознакою. Надійніші дані дістають після проведення хімічного аналізу. Так, переважна більшість чавунів і сталей розчиняється в розведених сірчаній або соляній кислотах. Навпаки, концентрована азотна кислота часто їх пасивує. Пасивацією називається явище, коли метал або сплав при дії азотної кислоти вкривається з поверхні тонкою плівкою окислів і перестає розчинятись у кислотах. Щоб пересвідчитись, що основою сплаву є залізо, крупинку сплаву розчиняють у розведеній сірчані кислоті, добавляють краплину і нагрівають суміш. Утворений розчин дає з роданідом амонію інтенсивно - червоне забарвлення роданіду заліза. Сплави міді, навпаки, не розчиняються в сірчаній і соляній кислотах, але піддаються дії азотної кислоти. Для перевірки крупинку сплаву розчинять у азотній кислоті і добавляють до розчину надлишок аміаку. Утворюється аміакат міді інтенсивно - синього кольору. Характерною особливістю сплавів алюмінію є їх розчинність у розчинах їдких лугів:

За бурхливим виділенням водню легко розпізнати сплави алюмінію. В їдкому лузі також розчиняються олово і цинк, які часто бувають в алюмінієвих сплавах. Сплави алюмінію розчиняються також у сірчаній і соляній кислотах, але пасивуються концентрованою азотною кислотою.

Сплави олова при дії азотної кислоти перетворюються в нерозчинну олов'яну кислоту. В осаді залишаються також , а решта компонентів сплаву - свинець, мідь, залізо, цинк та інші - переходить у розчини.

Хід хімічного аналізу сплавів різних типів такий.

Сплави на основі заліза. Приблизно 0,5 г сплаву нагрівають з розведеною сірчаною кислотою доти, поки не перестане виділятися водень. Часто після залишається сірий або чорний осад карбідів заліза і хрому. Для їх окислення добавляють концентровану азотну кислоту і нагрівають суміш, поки залишиться невеликий білий осад або проба повність розчиниться. Розчин фільтрують, фільтрат випарюють до появи білої пари , щоб позбутися надлишку азотної кислоти. Після охолодження залишок обережно розчиняють у воді і у добутому розчині виявляють іони та інші.

Сплави на основі міді. Близько 0,5 г сплаву розчиняють в азотні кислоті при нагріванні. Після обробки сплаву кислотою може залишитися осад і . Для кращої коагуляції цих осадів добавляють трохи сухого нітрату амонію, продовжують нагрівати сплав до повного розкладання, відфільтровують олов'яну і сурм'яну кислоти і промивають їх гарячим розчином хлориду амонієм. У розчині можуть бути іони та інші. До цього розчину добавляють трохи розчину сірчаної кислоти і випарюють його до появи «диму» . Після охолодження сухий залишок розводять водою і фільтрують. Щоб перевірити, що осад є сульфатом свинцю, його розчиняють в ацетаті амонію і діють розчином хромату калію.

Осад і обробляють концентрованою соляною кислотою і виявляють катіони олова і сурми.

Сплави на основі алюмінію. 0.5 г сплаву розчиняють у 25% розчині їдкого натрію. Після цього може залишитися чорний осад, в якому містяться залізо, марганець, нікель, магній. Осад розчиняють в азотній кислоті і виявляють у розчині катіони названих металів характерними реакціями. Лужний розчин алюмінату підкислюють соляною кислотою і аналізують на присутність катіонів олова, цинку і алюмінію.

Сплави на основі олова. 0,5 г сплаву обробляють при нагріванні нітратною кислотою. Доливають розчин нітрату амонію і продовжують нагрівати поки повність не розкладеться сплав. Осад і промивають гарячим розчином хлориду амонію і аналізують, як описано вище. В розчині можуть бути іони та інші.

метал сплав хімічний

2.2 Види сплавів та їх застосування людиною

Сплавом називають речовину одержану сплавленням двох або більше елементів. Сплав, складовою частиною якого являється метал і він має металеві властивості називається металевим сплавом. Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій в основному використовуються сплави, а не чисті метали

В залежності від компонентів, що утворюють систему розрізняють, в основному, три види сплавів:

Механічна суміш - сплав, в якому компоненти не здатні до взаємного розчинення і не вступають в хімічну реакцію. У цих умовах сплав буде складатися з кристалів компонента А і В, які чітко виявляються на мікроструктурі (якщо вони досить великого розміру). Рентгенограма сплаву показує наявність двох кристалічних граток компонентів А і В.

Твердий розчин. В кристалічній ґратці одного компонента окремі атоми замінені атомами іншого компонента. Хімічний або спектральний аналіз показує в твердих розчинах наявність двох елементів або більше, тоді як за даними металографічного аналізу такий сплав, як і чистий метал, має однорідні зерна. Рентгенівський аналіз виявляє у твердому розчині, як і в чистому металі, тільки один тип гратки. Отже, на відміну від механічної суміші, твердий розчин є однофазним і складається з одного виду кристалів, має одну кристалічну гратку.

При взаємному розчинені металів їхні атоми реагують між собою утворюючи так звані інтерметалічні сполуки. Дані сполуки утворюють, наприклад, метали Сu і Zn, Zn і Hg, Ag і Zn, Na і Pb.

На сьогоднішній день сплави і метали що входять до їхнього складу мають величезне значення для виробництва будь-якого типу техніки. Метал є хімічно простою речовиною, що володіє такими характеристиками, як ковкість, теплопровідність, електропровідність; зовні відрізняється особливим блиском. Існує декілька класифікацій металів, основними групами металів є наступні:

-чорні метали (залізо);

-кольорові метали (мідь, алюміній, олово, свинець);

-благородні або дорогоцінні метали (срібло, золото, платина і решта металів платинової групи)

Відповідно до класифікації металів існують їхні сплави, тобто:

- сплави на основі заліза - чавуни, звичайні та леговані сталі;

- сплави на основі міді, алюмінію, олова, свинцю та інші;

- сплави на основі благородних металів.

Сплави на основі заліза(чавуни і сталі).

Сталь - це сплав заліза з вуглецем і домішками (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази), в якому вуглецю не більше, ніж 2,14 %.

Сталі можна класифікувати за різними принципами, єдиної класифікації у світі немає.

Попробуємо провести класифікацію сталей таким чином:

- за вмістом вуглецю

- за структурою

- за способом виробництва

- за призначенням (конструкційні, інструментальні та спеціального призначення).

Конструкційні сталі бувають звичайної якості і якісні. Конструкційні сталі звичайної якості, залежно від призначення, поділяють на три групи: А - що постачаються за механічними властивостями, Б - що постачаються за хімічним складом, В - що постачаються за хімічним складом і механічними властивостями.

Вуглецеву якісну сталь виплавляють у кисневих конверторах, мартенівських та електричних печах. Якісна конструкційна сталь постачається як за механічними властивостях, так і за хімічним складом.

Якісна сталь перевищує сталь звичайної якості за однорідністю, є чистішою за вмістом сірки і фосфору, неметалевих включень і має вужчі межі вмісту вуглецю. Із цієї сталі виготовляють відповідальні деталі машин і механізмів, коновки, штампові, калібровані трубки і т.п.

Інструментальні сталі виплавляють у мартенівських та електричних печах і використовують для виготовлення інструментів (різальних, вимірювальних, ударних тощо). Інструментальну сталь поділяють на якісну і високоякісну. Сталь якісну позначають літерою У і цифрою, що вказує на вміст вуглецю у десятих долях відсотка. Наприклад, У7, У8, аж до У13.

Сталь інструментальна високоякісна містить менше домішок (сірки, фосфору), ніж якісна; при її маркуванні додають букву А, наприклад, У8А.

Сталі спеціального призначення почали використовувати тоді, коли були впроваджені нові технологічні процеси і специфічні види промисловості.

Властивості сталей залежать від їх складу і структури.

Із збільшенням у сталях вмісту вуглецю, сталь стає твердішою і міцнішою, пластичність падає. Кремній і марганець у межах (0,5 - 0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не виявляють.

Сірка є шкідливою домішкою, утворює з залізом хімічну сполуку FeS. Сірчисте залізо з залізом у сталях утворює евтектику з температурою плавлення 1258 ⁰К. Це є причиною червоноламкості при обробці тиском з підігріванням. Вказана евтектика при певних температурах розплавляється, у результаті чого між зернами втрачається зв'язок і утворюються тріщини. Крім цього, сірка знижує пластичність і міцність сталі, опір стиранню і корозійну стійкість.

Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при знижених температурах). Це пояснюється тим, що фосфор спричиняє сильну внутрішню кристалічну ліквацію.

Легована сталь - це сплав заліза з вуглецем та легуючими компонентами (Сr , Nі, W, Mo, Tі, V, Со та ін.), в якому вуглецю не більше, як 2,14 %. Вуглецева сталь часто не відповідає вимогам сучасного машинобудівного та інструментального виробництва. У таких випадках використовують леговану сталь. Легуючі компоненти, що вводяться у сталь, змінюють її механічні, фізичні та хімічні властивості. Для легування сталі застосовують хром, нікель, марганець, кремній, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан, алюміній, мідь та ін.

Чавун - це сплав заліза з вуглецем та домішками (Sі, Mn, S, P, O₂ , Н₂ , N₂), в якому вуглецю більше як 2,14 %.

Чавуни доцільно класифікувати за призначенням на: білі, сірі, ковкі, високоміцні і антифрикційні.

Білі чавуни - це чавуни, в яких вуглець перебуває у зв'язаному стані, у вигляді цементиту (Fe₃C). Їх можна класифікувати за структурою: до евтектичні (вміст вуглецю від 2,14 до 4,3 %); евтектичні (вміст вуглецю 4,3 %); заевтектичні (вміст вуглецю від 4,3 до 6,67 %).

Білі чавуни в основному використовують для переробки у сталь. В окремих випадках для виготовлення виробів, які не піддаються високим навантаженням.

Сірі чавуни - це чавуни, в яких вуглець перебуває як у зв'язаному стані (Fe₃C) так і в вільному у вигляді графіту. Сірі чавуни маркуються буквами СЧ з цифрою, яка вказує мінімальну границю міцності на розрив або розтяг. Сірі чавуни використовуються для виготовлення різних відливок для сільськогосподарських машин і побутової техніки. У структуру сірих чавунів обов'язково входить фаза графіт у вигляді пластинок. Це дозволяє в деякій мірі підвищити пластичність у порівнянні з білими чавунами.

Ковкий чавун - умовна назва м'якого і в'язкого чавуну, який одержують з білого чавуну шляхом відливанням з подальшою термічною обробкою. Його не кують, але він набагато пластичніший за сірий чавун. Ковкий чавун, як і сірий, складається із основи - сталі та містить частину вуглецю у вигляді графіту, проте графітові включення у ковкому чавуні інші по формі (у вигляді плям, а не пластин). Властивості ковкого чавуну залежать від металевої основи і розміру включень графіту, чим менші включення графіту, тим міцніший ковкий чавун.

Ковкий чавун широко використовують у сільськогосподарському машинобудуванні, в автомобільній і тракторній промисловості, верстатобудуванні та в інших галузях промисловості.

Високоміцний чавун використовують замість сталі для відливання валів, зубчастих коліс, муфт, задніх мостів автомобілів, картерів та ін.

Сплави на основі міді (латуні і бронзи).

Мідь - метал червонувато-рожевого кольору, температура плавлення 1356^оК, густина 8,9 г/см³, корозійностійкий, володіє: високою електропровідністю і теплопровідністю; високою пластичністю; малою міцністю і твердістю. В основному, чиста мідь використовується в електротехніці.

У промисловості використовують сплави міді з цинком, оловом, алюмінієм, берилієм, нікелем, марганцем, свинцем. Добавка до міді вказаних компонентів підвищує її механічні, технологічні і антифрикційні властивості.

Латуні. Латуні є прості та спеціальні. Прості латуні - це сплав міді з цинком. Спеціальні - це сплав міді з цинком та іншими компонентами. Вміст цинку в латунях не перевищує 43 %, так як більший вміст цинку приводить до зменшення міцності і підвищення крихкості латуні. Прості латуні маркуються, наприклад, Л62 (вона містить 62 % міді і решта - цинк). Спеціальні латуні маркуються, наприклад, ЛМЖ 55-3-1 (вона містить 55 % Си, 3 % Мn, 1 % Fе, решта - цинк/. Латуні використовують для виготовлення труб, прутків дроту, фольги, втулок, підшипників, шестерень і арматури.

Бронза. Бронза - це сплав міді з будь-яким компонентом, навіть у бронзах може бути присутній у невеликих кількостях цинк, який суттєво не вплине на властивості останньої. Найважливішими бронзами є олов'янисті, алюмінієві, кремнієві, нікелеві, берилієві, хромисті, фосфористі. Олов'янисті і свинцеві бронзи мають високі антифрикційні властивості і використовуються як підшипники ковзання.

Алюміній у бронзах підвищує міцність і вони використовуються для виготовлення різних деталей і конструкцій.

Берилій підвищує у бронзах пружність, тому берилієві бронзи використовуються для виготовлення різних пружин.

Фосфор у бронзах підвищує рідинотекучість. Фосфористі бронзи використовують для різних відливок.

Хромисті бронзи використовують у зварювальному виробництві.

Сплави на основі алюмінію.

Алюміній - метал білого кольору, температура плавлення 933 ⁰К, густина 2,7 г/см³, володіє високою корозійною стійкістю, електропровідністю, теплопровідністю, пластичністю; невисокою твердістю і міцністю. В основному, алюміній використовують в електротехніці.

Розділяють ливарні і деформовані алюмінієві сплави. Ливарні алюмінієві сплави - це найчастіше сплави, які містять кремній, мідь і магній.

Силуміни - це сплави алюмінію з кремнієм (від 6 до 13%). Силуміни використовують для виготовлення корпусів приладів, кронштейнів, фланців, картерів, поршнів тощо.

Алюмінієві сплави, що обробляються тиском (деформовані - дюралюмінії). Дюралюміній - це сплав алюмінію з міддю, магнієм і марганцем. Сплави дюралюмінію широко використовуються в авіаційній і ракетній промисловості.

На механічні властивості дюралюмінію інтенсивно впливає термічна обробка. У результаті загартування і старіння механічні властивості дюралюмінію підвищуються до показників середньовуглецевої сталі.

Слід відмітити, що в даний час розроблено багато інших алюмінієвих сплавів, які використовуються у сучасних галузях промисловості.

Сплави на основі магнію.

Магній - метал білого кольору, густина 2,7 г/см³, температура плавлення біля 725 ^оК.

Із сплавів на основі магнію поширення у техніці набули його сплави з марганцем, алюмінієм і цинком. Для підвищення механічних властивостей магнієвих сплавів добавляють цирконій, церій, неодим, торій та ін. Крім цього, магнієві сплави зміцнюють загартуванням і дисперсним твердінням.

Сплави магнію використовують для виготовлення різних деталей літаків, вагонів, автомобілів тощо.

Сплави на основі титану.

Титан - метал білого кольору з високою температурою плавлення (1933^оК) і малою густиною (4,5 г/см³), стійкий в агресивних середовищах.

Чистий титан використовують у хімічному машинобудуванні, електроніці, ядерній та інших галузях техніки.

У промисловості використовують титанові сплави, які містять у собі: алюміній, олово, марганець, молібден, хром, ванадій, залізо.

Механічні властивості титанових сплавів можна покращити шляхом загартування і старіння. Титанові сплави знайшли широке застосування у реактивних авіаційних двигунах, обшивці надзвукових літаків, суднобудуванні, ракетобудуванні тощо.

Сплави на основі благородних металів.

Ювелнрні сплбви - сплави благородних і кольорових металів, що вирізняються гарним зовнішнім виглядом, високою стійкістю до впливу кислот, солей та довкілля. Початок застосування сплавів відноситься до 2-3 тисячорічь до н. е. Розрізняють ювелірні сплави на основі благородних металів і сплави-замінники на основі міді.

До ювелірних сплавів на основі благородних металів відносяться сплави золота, срібла, платини і паладію. Найбільш розповсюджені сплави системи золото-срібло-мідь, рідше сплави системи золото-срібло і золото-мідь. Різноманітне забарвлення сплавам золота надають добавки платини, кадмію, паладію, нікелю тощо. Сплави вирізняються високими механічними властивостями, корозійною стійкістю, легко піддаються різній механічній обробці. Пластичність сплавів підвищують загартовуванням, твердість та міцність - в основному додаванням міді. Для сплавів золота, з яких виробляють ювелірні вироби, встановлені метричні проби (кількість хімічно чистого золота, яке припадає на 1000 вагових часток сплаву): 375; 500; 583; 750 і 958 Зі сплавів срібла найширше використовують доевтектичні сплави системи срібло-мідь. Мідь сприяє підвищенню твердості та міцності матеріалів, але знижує їх пластичність. Для підвищення пластичності сплавів вдаються до гартувування. Сплави срібла легко розчиняються у азотній і концентрованій сірчаній кислотах; у розведеній сірчаній кислоті не розчиняються. Для сплавів срібла встановлені проби: 750; 800; 875; 916; 960 . Сплави платини містять не менше 95% Pt, легувальними елементами служать переважно паладій та іридій. Паладій покращує оброблюваність та ковкість сплавів, знижує температуру плавлення та висвітлює їх. Паладій є основною легувальною добавкою для «білого золота». Іридій різко підвищує такі властивості, як твердість та зносостійкість сплавів. Встановлена проба для сплавів платини - 950. Зі сплавів паладію найбільш технологічні сплави 500 та 800 проб. Сплави з високим вмістом паладію мають високу пластичність. Сплави з низьким вмістом паладію вирізняються меншим опором деформування. Основні види обробки ювелірних сплавів - холодне деформування (волочіння, гнуття, виколювання, чеканення, гравіювання, тиснення) та литво, спеціальні види - чорніння, емалювання та інкрустування. Сплави золота, срібла та платини використовують для виготовлення прикрас, високохудожніх предметів туалету, сувенірів тощо. До сплавів-замінників відносяться бронза, мельхіор, нейзильбер та ін. Зазвичай їх піддають в подальшому срібленню, емалюванню чи іншим обробкам. Такі сплави використовують переважно для виготовлення біжутерії.



Висновки

Отже, метали - це кристалічні речовини, з металічним типом зв'язку і за звичайної температури - це тверді речовини, які поширені у природі та використовуються людиною.

У різних видах промисловості використовують метали та їхні сплави, які мають такі властивості, яких не мають метали, що їх утворюють, а саме - залізо і алюміній є порівняно м'якими металами, а їхні сплави з іншими металами є досить твердими. У світі для потреб техніки виготовляється близько 75 видів металів і 1500 - видів сплавів , які мають високу твердість, жаростійкість, а також корозійну стійкість. Цих властивостей сплавам надають домішки перехідних металів.

Існують різноманітні види сплавів на основі чорних, кольорових та благородних металів, які людина використовує у своєму повсякденному житті. Зокрема, сплави на основі чорних металів (чавуни і сталі) - використовуються для виготовлення деталей і механізмів машин - штампові і калібровані трубки. Із сірих чавунів виготовляють відливки для сільськогосподарських машин, побутової техніки, у ковальстві застосовують ковкі чавуни.

Сплавами на основі міді є латуні і бронзи, які також використовуються, у промисловості. З латуней виготовляють труби, фольгу, арматуру, підшипники. Бронза служить для виготовлення пружин, а також у зварювальному виробництві.

Сплави на основі алюмінію, магнію, титану використовуються у авіаційній, ракетній промисловості та суднобудуванні.

Важлива роль відводиться сплавам на основі благородних металів - золота, срібла, міді, платини, з яких виготовляють прикраси, високохудожні предмети туалету, сувеніри та біжутерію.



Список використаної літератури

1. Астахов А.І, Русько О.М. Книга для читання хімії. К.: Рад. Школа. 1989.- 336 с.

2. Богодухова С. І, Бондаренко В. А. Технологические процессы машиностроительного производства. Оренбург, ОГУ, 1996.- 184 с.

3. Балезін С. А. Чому і як руйнуються метали. Москва. Освіта 1976.- 254 с.

4. Глінка Н. Л. Загальна хімія. Видавництво «Хімія», Ленінградське відділення 1976.- 132 с.

5. Кріцман В. А. Книга для читання по неорганічній хімії. Частина друга. Москва «Освіта» 1984.- 138 с.

6. Некрасов Б. В. Курс общей химии.- М.:Госхимиздат, 1962.- 167с.

7. Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія.- К.: Ірпінь ВТФ «Перун» 2002.- 480с.

8. Семенов І. Н, Максимов А. С. Хімія та науково- технічний прогрес. - Москва «Освіта» 1988 . - 247 с.

9. Степаненко О. С, Рейтер Л. Г. Загальна та неорганічна хімія. Частина перша. - К .: Педагогічна преса 2002. 517с.

10. Фримантил М. Химия в действие. Київ «Освіта» 1993. 241 с.

11. Химия. Справочные материалы. М., 1988. 325 с.

Размещено на Allbest.ru

...